Правило буравчика, правой и левой руки — кратко и понятно

Содержание

Объяснение названия

Большинство людей помнят упоминание об этом из курса физики, а именно раздела электродинамики. Так вышло неспроста, ведь эта мнемоника зачастую и приводится ученикам для упрощения понимания материала. В действительности правило буравчика применяют как в электричестве, для определения направления магнитного поля, так и в других разделах, например, для определения угловой скорости.

Правило буравчика

Под буравчиком подразумевается инструмент для сверления отверстий малого диаметра в мягких материалах, для современного человека привычнее будет привести для примера штопор.

Важно! Предполагается, что буравчик, винт или штопор имеет правую резьбу, то есть направление его вращения, при закручивании, по часовой стрелке, т.е. вправо.

На видео ниже предоставлена полная формулировка правила буравчика, посмотрите обязательно, чтобы понять всю суть:

Кто придумал правило буравчика

По поводу изобретателя этого правила и человека, придумавшего его, сведений не имеется. По разным источникам отмечаются разные имена с обязательной привязкой к фамилии, похожей на название инструмента. Однако какой-либо связи с известными физиками в данном случае нет.

Возможно это одно из тех правил, которое в силу поведения электротока и МП определило схожесть с действием известного инструмента, а потом уже было сформулировано.

Как связано магнитное поле с буравчиком и руками

В задачах по физике, при изучении электрических величин, часто сталкиваются с необходимостью нахождения направления тока, по вектору магнитной индукции и наоборот. Также эти навыки потребуются и при решении сложных задач и расчетов, связанных магнитным полем систем.

Прежде чем приступить к рассмотрению правил, хочу напомнить, что ток протекает от точки с большим потенциалом к точке с меньшим. Можно сказать проще — ток протекает от плюса к минусу.

Правило буравчика имеет следующий смысл: при вкручивании острия буравчика вдоль направления тока – рукоятка будет вращаться по направлению вектора B (вектор линий магнитной индукции).

Правило правой руки работает так:

Наглядное объяснение

Поставьте большой палец так, словно вы показываете «класс!», затем поверните руку так, чтобы направление тока и пальца совпадали. Тогда оставшиеся четыре пальца совпадут с вектором магнитного поля.

Наглядный разбор правила правой руки:

Чтобы увидеть это более наглядно проведите эксперимент – рассыпьте металлическую стружку на бумаге, сделайте в листе отверстие и проденьте провод, после подачи на него тока вы увидите, что стружка сгруппируется в концентрические окружности.

Магнитное поле в соленоиде

Всё вышеописанное справедливо для прямолинейного проводника, но что делать, если проводник смотан в катушку?

Мы уже знаем, что при протекании тока вокруг проводника создается магнитное поле, катушка – это провод, свёрнутый в кольца вокруг сердечника или оправки много раз. Магнитное поле в таком случае усиливается. Соленоид и катушка – это, в принципе, одно и то же. Главная особенность в том, что линии магнитного поля проходят так же как и в ситуации с постоянным магнитом. Соленоид является управляемым аналогом последнего.

Правило правой руки для соленоида (катушки) нам поможет определить направление магнитного поля. Если взять катушку в руку так, чтобы четыре пальца смотрели в сторону протекания тока, тогда большой палец укажет на вектор B в середине катушки.

Катушка

Если закручивать вдоль витков буравчик, опять же по направлению тока, т.е. от клеммы «+», до клеммы «-» соленоида, тогда острый конец и направление движения как лежит вектор магнитной индукции.

Простыми словами – куда вы крутите буравчик, туда и выходят линии магнитного поля. То же самое справедливо для одного витка (кругового проводника)

Определение направления тока буравчиком

Если вам известно направление вектора B – магнитной индукции, вы можете легко применить это правило. Мысленно передвигайте буравчик вдоль направления поля в катушке острой частью вперед, соответственно вращение по часовой стрелки вдоль оси движения и покажет, куда течет ток.

Если проводник прямой – вращайте вдоль указанного вектора рукоятку штопора, так чтобы это движение было по часовой стрелке. Зная, что он имеет правую резьбу – направление, в котором он вкручивается, совпадает с током.

Специальные правила

Рассмотрим варианты главного правила буравчика для частных случаев. Применение таких правил часто упрощает процесс вычислений.

Для векторного произведения

Расположите векторы так, чтобы их начальные точки совпадали. Для этой ситуации правило буравчика звучит так:

Если один из векторов сомножителей вращать кратчайшим способом до совпадения направлений со вторым вектором, то буравчик, вращающийся подобным образом, будет завинчиваться в сторону, куда указывает векторное произведение.

По циферблату часов

При расположении векторов способом совпадения их начальных точек можно определить направление вектора-произведения с помощью часовой стрелки. Для этого необходимо мысленно двигать кратчайшим путём один из векторов-сомножителей в сторону другого вектора. Тогда, если смотреть со стороны вращения этого вектора по часовой стрелке, то аксиальный вектор будет направлен вглубь циферблата.

Правила правой руки, для произведения векторов

Существует два варианта правила.

Первый вариант:

Если согнутые пальцы правой руки направить в сторону кратчайшего пути для совмещения вектора-сомножителя с другим сомножителем (векторы выходят из одной точки), то отведенный в сторону большой палец укажет направление аксиального вектора.

Второй вариант:

Если правую ладонь расположить таким образом, чтобы получилось совпадение большого пальца с первым вектором-сомножителем, а указательного – со вторым, то отведённый в сторону средний палец совпадёт с направлением вектора произведения.

Для базисов

Перечисленные выше правила применяются также для базисов.

Например, правило буравчика для правого базиса можно записать так:

При вращении ручки буравчика и векторов таким образом, чтобы первый базисный вектор по кратчайшему пути стремился ко второму, то штопор будет завинчиваться в сторону третьего базисного вектора.

Указанные правила универсальны. Их можно переписать для механики с целью определения векторов:

  • механического вращения (определение угловой скорости);
  • момента приложенных сил;
  • момента импульса.

Правила буравчика применяются также для уравнений Максвелла, что усиливает их универсальность.

Правило левой руки: что можно определить, воспользовавшись им

Не стоит путать правила левой руки и буравчика – они предназначены для совершенно разных целей. При помощи левой руки можно определить две силы, вернее, их направление. Это:

  • сила Лоренца;
  • сила Ампера.

Попробуем разобраться, как это работает.

Применение для силы Ампера
Применение для силы Ампера

Правило левой руки для силы Ампера: в чём оно заключается

Расположим левую руку вдоль проводника так, чтобы пальцы были направлены в сторону протекания тока. Большой палец будет указывать в сторону вектора силы Ампера, а в направлении руки, между большим и указательным пальцем будет направлен вектор магнитного поля. Это и будет правило левой руки для силы ампера, формула которой выглядит так:

Правило правой и левой руки в физике: применение в повседневной жизни

Правило левой руки для силы Лоренца: отличия от предыдущего

Располагаем три пальца левой руки (большой, указательный и средний) так, чтобы они находились под прямым углом друг к другу. Большой палец, направленный в этом случае в сторону, укажет направление силы Лоренца, указательный (направлен вниз) – направление магнитного поля (от северного полюса к южному), а средний, расположенный перпендикулярно в сторону от большого, – направление тока в проводнике.

Применение для силы Лоренца
Применение для силы Лоренца

Формулу расчёта силы Лоренца можно увидеть на рисунке ниже.

Правило правой и левой руки в физике: применение в повседневной жизни

Для механического вращения скорости

Удобные и понятные правила можно применить в разных сферах деятельности.

Правило правой руки для угловой скорости

Формулировка ППР для определения угловой скорости (УС) следующая: если кистью правой руки обхватить ось вращения таким образом, чтобы пальцы руки сходились с направлением тангенциальной скорости (ТС), то отогнутый большой палец укажет сторону вектора УС ω. Правило правой руки для угловой скорости.

Как известно, крутящееся колесо имеет не только УС, но и УУ, и оно не совпадает с направлением линейной ТС, а находится под углом 90 градусов к плоскости колеса.

Такая формулировка создаёт некоторое замешательство среди неосведомлённых: оказывается, УС ω действует вдоль оси крутящегося колеса. При вращении колеса очевидно, что единственной застывшей (неподвижной) точкой считается его центр. В этой связи начало вектора УС принято устанавливать в центре вращающейся окружности.

Вектор УС может меняться лишь по величине. А вот вектор УУ изменяется как по величине, так и по направленности — при ускорении направления векторов УС и УУ совпадают, а при замедлении направленность противоположная.

Для момента импульса

Этот же принцип используют для уточнения параметров момента импульса (L), который зависит от общей массы и ее распределения в исследуемом объекте. Однако выяснить направление вектора можно с применением простого правила буравчика.

Для момента сил

По классическому определению вращающий момент (M) равен произведению векторов силы (F) и радиуса (r), который соединяет точки оси вращения и места приложения соответствующего воздействия. Для расчетов применяют сложные вычисления с использованием интегралов и угловых проекций. Движение тела будет соответствовать перемещению буравчика. Подразумевается вращение рукоятки его в сторону соответствующего момента сил.

Магнитостатика и электродинамика

Земля создает мощное поле, защищающее людей от солнечной радиации. Под его воздействием стрелка компаса перемещается в определенное положение. Ток, проходящий через проводник, создает силовое воздействие для вращения двигателя. Обратный алгоритм действий применяют для генерации электроэнергии. Отмеченные процессы можно сформулировать и описать комплексом уравнений. Правило правой руки позволяет определить отдельные параметры в электродинамике без лишних сложностей.

Правило правой руки для соленоида (катушки индуктивности)

Описанный принцип винта имеет отношение для случаев с прямолинейным проводником электротока. И всё же в электротехнике используются также агрегаты с проводниками, не имеющими прямолинейной формы, а закон винта в таких случаях не применяется. Это касается катушек индуктивности и соленоидов.

Соленоид, как вид катушки, представлен в виде обмотки провода в форме цилиндра с длиной, намного превышающей диаметр соленоида. Дроссель индуктивности разнится от соленоида лишь длиной самого проводника.

Физик Ампер на основе своих изучений выяснил и подтвердил, что при прохождении электрического тока по дросселю индуктивности указатели компаса у краев провода обмотки цилиндрического типа поворачивались противоположными концами в направлении недоступных зрению потоков ЭМ поля. Эти опыты показали, что около дросселя индуктивности с током создаётся МП, а обмотка провода цилиндрического типа создает магнитные полюса. ЭМ-поле, формируемое электрическим током цилиндрической обмотки провода, похоже на МП постоянного магнита — конец обмотки провода цилиндрической формы, откуда выходят ЭМ потоки, указывает полюс северный, а обратный конец — южный.

Для распознания полюсов и ориентации ЭМ-линий в катушке с током применяется ППР для соленоида. Если за катушку взяться рукой так, чтобы сжатые пальцы кисти руки совпали по курсу потока электронов в витках, то оттопыренный под прямым углом большой палец укажет путь направленности электромагнитного фона — северный полюс.

Справка! Разнообразные формулировки ПБ, ППР или другие аналогичные правила не являются нужными по своей важности. Всех их непременно знать нет нужды, если знаешь основополагающее правило одного из вариантов. Тем не менее многие из представленных ниже правил удачно приспособлены к специфичным случаям их применения, следовательно, удобны для быстрого понимания направления векторов.

Уравнения Максвелла

В этом случае применяют возможность выражения операции ротора через произведение двух векторов. Для простоты понимания можно представить вращающуюся жидкую среду обладающей определенной угловой скоростью.

Методы определения базовых параметров

ПБ
НДБвекторному выражению ротора
НВРзавихрениям поля
ППР
НБПвектору ротора (потоку, который проходит через контрольный контур)
НСПзавихрениям (индуцируемой электродвижущей силе)

Примеры задач в физике электротехнике

В качестве примеров будут рассмотрены задачи, связанные с силой Ампера. Примеры решений специфические, но сам метод решения довольно простой.

Задача № 1

Исходные данные для выполнения: длина проводника – 20 см, сила тока, протекающая в нем – 300 мА, угол между проводником и вектором магнитной индукции – 45о. Величина магнитной индукции – 0,5 Тл.

Требуется найти силу однородного магнитного поля, воздействующую на проводник.

Решение: необходимо применять основную формулу – Fa = B x I x L x sinα.  Подставив нужные значения, получаем: Fa = 0,5 Тл х 0,3А х 0,2 м х (√2/2) = 0,03 Н.

Задача № 2

Исходные данные для решения: Проводник помещен в магнитное поле, индукция которого составляет 10 Тл. Сила действия магнитного поля перпендикулярна проводнику и составляет 20 Н. Сила тока, протекающего в проводнике – 5А.

Читайте также:Закон Ома для участка цепи

Требуется вычислить длину отрезка проводника.

Решение: за основу берется формула Fa = B x I x L x sinα. Длина проводника определяется следующим образом: L = Fa/(B x I x sinα). Поскольку sinα = 1, получаем: L = Fa/(B x I). Остается подставить нужные значения и получить результат: L = 20Н/(10Тл х 5А) = 0,4 м.

Существуют аналогичные задачи с использованием силы Лоренца. Наглядно рассматрим два примера, которые решаются просто и понятно.

Задача № 3

Исходные данные для выполнения: в магнитном поле с индукцией 0,3 Тл передвигается заряд величиной 0,005 Кл со скоростью 200 м/с. Угол между направлением заряда и вектором магнитной индукции – 45º.

Определяется: величина силы, воздействующей на заряд.

Решение: используется основная формула FL = |q| x V x B x sinα. Подставляя исходные данные, получаем следующее: FL = 0,005Кл х 200м/с х 0,3Тл х sin 45о = (0,3 х √2)/2 = 0,21Н.

Задача № 4

Исходные данные для решения: заряженная частица величиной 0,5 мКл движется в магнитном поле с индукцией 2 Тл. Сила, действующая на заряд со стороны магнитного поля – 32 Н. Направление движения частицы и вектор магнитного поля расположены под углом 90º.

Требуется определить: скорость движения заряженной частицы.

Решение: изначально берется формула FL = |q| x V x B x sinα. Поскольку sinα = 1, она приобретает следующий вид: FL = |q| x V x B. Для определения скорости нужно: V = FL/(|q| x B). Остается вставить исходные данные: V = 32Н/(5*10-4Кл х 2Тл) = 32000 м/с.

Полезные сведения и советы

  1. Общепринято считать, что направление тока указывает в сторону от плюса к минусу. На самом деле, в проводнике упорядоченное перемещение электронов направлено от негативного полюса к позитивному. Поэтому, если бы перед вами стояла задача вычисления силы Лоренца для отдельного электрона в проводнике, следовало бы учитывать данное обстоятельство.
  2. По умолчанию мы рассматриваем винт (буравчик, штопор) с правой резьбой. Однако не следует забывать о существовании винтов с левой резьбой.
  3. При использовании правила часовой стрелки мы принимаем условие о том, что стрелки совершают движение слева направо. Известно, что в бывшем СССР производились часы с обратным ходом часового механизма. Возможно, такие модели существуют до сегодняшнего дня.

Советы: если вам необходимо определить пространственное расположение момента силы, под действием которой происходит вращение некоего тела – вращайте винт в ту же сторону. Условное врезание винта укажет на ориентацию вектора момента силы. Скорость вращения тела не влияет на направление вектора.

Полезно знать, что при вращении буравчика по ходу вращения тела, траектория его ввинчивания совпадёт с направлением угловой скорости.

Заключение

Разобравшись один раз с правилами правой и левой руки, уважаемый читатель поймёт, насколько легко ими пользоваться. Ведь они заменяют знание многих законов физики, в частности, электротехники. Главное здесь – не забыть направление течения тока.

При помощи рук можно определить множество различных параметров
При помощи рук можно определить множество различных параметров

Надеемся, что сегодняшняя статья была полезна нашим уважаемым читателям. При возникновении вопросов их можно оставить в обсуждениях ниже. Редакция Electric-220.ru с удовольствием на них ответит в максимально сжатые сроки. Пишите, общайтесь, спрашивайте. А мы, в свою очередь, предлагаем вам посмотреть короткое видео, которое поможет более полно понять тему нашего сегодняшнего разговора.

Видео

Это видео поможет вам лучше понять, что такое магнитное поле.

Что такое «Правило левой руки»? Ответ вы найдете в этом видео.

Магнитное поле — Сила Лоренца.

Источники
  • https://samelectrik.ru/prostoe-obyasnenie-pravila-buravchika.html
  • https://meanders.ru.com/pravilo-buravchika-ili-pravilo-pravoj-ruki-opredelenie-i-formula.shtml
  • https://www.asutpp.ru/pravilo-buravchika-prostym-yazykom.html
  • https://seti.guru/pravilo-pravoy-i-levoy-ruki-v-fizike-primenenie
  • https://amperof.ru/teoriya/pravilo-buravchika.html
  • https://electric-220.ru/pravilo-levoj-ruki
  • https://LivePosts.ru/articles/education-articles/fizika/pravilo-pravoj-i-levoj-ruki-formulirovka-i-primenenie

Оцените статью
Услуги электрика в Москве и области
Adblock
detector